(57)【要約】【課題】  スクリーンを必要とせず、あらゆる空間に三次元画像を表示することが可能な画像表示装置及び方法を提供する。【解決手段】  レーザビームを照射するレーザ照射ユニット１２と、前記レーザ照射ユニット１２からのレーザビームが照射されるホログラム１１と、前記ホログラム１１からの回折光を集光する集光光学系（１４）を有している。前記ホログラム１１は、前記集光系による焦点面上に結像される画像パターンと、前記焦点面からずれた偏倚面上に結像される画像パターンが互いに重ね合わせて配置された断層タイプであり、前記集光光学系は、前記ホログラムに記録された複数の画像パターンを前記焦点面と前記偏倚面に位相をずらせて立体的な可視画像として結像する。【選択図】図１
2006189821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを照射するレーザ照射ユニットと、
前記レーザ照射ユニットからのレーザビームが照射されるホログラムと、
前記ホログラムからの回折光を集光する集光光学系を有し、
前記ホログラムは、前記集光系による焦点面上に結像される画像パターンと、前記焦点面からずれた偏倚面上に結像される画像パターンが互いに重ね合わせて配置された断層タイプであり、
前記集光光学系は、前記ホログラムに記録された複数の画像パターンを前記焦点面と前記偏倚面に位相をずらせて立体的な可視画像として結像する機能を有するものであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記ホログラムの画像パターンは、干渉縞画像として記録されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
レーザビームをホログラムに照射して、前記ホログラムに記録された画像パターンを可視画像として表示する画像表示方法において、
レーザビームを断層タイプのホログラムに照射する照射工程と、
前記ホログラムによる回折光を集光することにより、前記ホログラムに記録させた画像パターンの位相をずらせて立体的な可視画像として結像させる結像工程を有することを特徴とする画像表示方法。
【請求項４】
前記ホログラムの画像パターンを、当該回折光を集光する集光系の焦点面と、前記焦点面からずれた偏倚面に位相をずらせて結像させることを特徴とする請求項３に記載の画像表示方法。
【請求項５】
前記ホログラムとして、前記集光系による焦点面上に結像される画像パターンと、前記焦点面からずれた偏倚面上に結像される画像パターンを互いに重ね合わせて配置したホログラムを用いることを特徴とする請求項３に記載の画像表示方法。
【請求項６】
前記ホログラムとして、前記複数の画像パターンが干渉縞画像として記録されたホログラムを用いることを特徴とする請求項５に記載の画像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置及び方法にかかり、特に、空中にホログラムによる三次元画像を表示する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィ技術により、空間に三次元画像を再生することが可能となっている。そして、物体が存在しなくても計算機にてホログラムを作成することができ、種々の物体の三次元表示に利用される。ここで、図６を参照して、従来例におけるホログラムの表示装置を説明する。
【０００３】
この表示装置は、フーリエ変換光学系を用いた計算機ホログラム１１と、光源となるレーザ照射装置１２と、レーザ光の直径を広げるビームエキスパンダ１３と、計算機ホログラムを通過したレーザ光をフーリエ変換するフーリエ変換レンズ１４と、フーリエ変換レンズの焦点位置に配置されたスクリーンＳと、により構成される。そして、レーザ照射装置１２には、可視光レーザであるＨｅ−Ｎｅレーザを用いる。
【０００４】
これにより、レーザ照射装置１２から照射されたレーザ光はビームエキスパンダ１３で広げられ、計算機ホログラム１１に照射される。そして、計算機ホログラム１１を通過したレーザ光はフーリエ変換レンズ１４によってフーリエ変換されて、スクリーンＳ上にて結像され、かかるスクリーンＳ上に三次元画像が表示されることとなる（矢印Ｂを参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２３３３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来における画像表示装置によると、再生像を観察するために焦点面にて結像させるためのスクリーンが必要となる。従って、その表示位置を自由に設定できず、スクリーンが配置できないような空間、例えば、上空に表示させることが困難となる、という問題が生じる。また、再生する三次元画像を表示可能な大きさのスクリーンを用意しなければならず、設備コストが増大しうる。
【０００７】
また、上記問題点を解消すべく、水蒸気でスクリーンを形成し、かかる水蒸気面で三次元画像を結像させる技術も開示されているが、水蒸気は不安定であるため、再生画像を高精度に表示することは困難であるという問題が生じる。
【０００８】
また、スクリーンを用いずに空中に画像を表示する技術として、レーザ光のプラズマ発光を用いた画像表示技術が特許文献１に開示されている。この技術では、空中の可視像形成予定箇所に集光レンズにより赤外レーザビームを集光させることにより、かかる箇所に存在する気体が局所的にプラズマ状態となり、閃光を発生させる。これを遠方から視認すると、発光点として認識することができるため、かかるプラズマ発光を、その位置を変えて繰り返すことにより、発光点の残像により画像を形成するという技術である。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に開示した技術では、発光点を連続して発生させることによる残像を利用した画像表示であって、平面的な画像しか表示することができない。従って、空間に三次元画像を表示することができず、表示情報の多様化を図ることができない、という問題が生じる。
【００１０】
本発明の目的は、空間に三次元画像を表示することが可能な画像表示装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明に係る画像表示装置は、レーザビームを照射するレーザ照射ユニットと、前記レーザ照射ユニットからのレーザビームが照射されるホログラムと、前記ホログラムからの回折光を集光する集光光学系を有し、
前記ホログラムは、前記集光系による焦点面上に結像される画像パターンと、前記焦点面からずれた偏倚面上に結像される画像パターンが互いに重ね合わせて配置された断層タイプであり、
前記集光光学系は、前記ホログラムに記録された複数の画像パターンを前記焦点面と前記偏倚面に位相をずらせて立体的な可視画像として結像する機能を有するものであることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明に係る画像表示方法は、レーザビームをホログラムに照射して、前記ホログラムに記録された画像パターンを可視画像として表示する画像表示方法を対象とするものであり、
レーザビームを断層タイプのホログラムに照射する照射工程と、
前記ホログラムによる回折光を集光することにより、前記ホログラムに記録させた画像パターンの位相をずらせて立体的な可視画像として結像させる結像工程を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、ホログラムに記録された複数の画像パターンを、ホログラムによる回折光を集光する集光系の焦点面と、前記焦点面からずれた偏倚面に位相をずらせて結像させるため、観察者は前記集光系の光軸方向から画像を観察する際に、その光軸方向に位相がずれて画像を観察することとなり、観察者は立体的な画像として認識することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図により説明する。
【００１５】
本発明の実施形態は、任意の空間に三次元画像を表示すべく、当該空間にプラズマ発光面を形成して、かかる面にホログラムを通過したレーザビームを結像させる、という点に特徴を有する。以下、具体的な構成及び動作を実施例にて説明する。
（実施例１）
【００１６】
本発明の第一の実施例を、図１乃至図２を参照して説明する。図１は、画像表示装置の構成を示すブロック図であり、図２は、ホログラムと表示画像の一例を示す図である。
【００１７】
［構成］
図１に示す画像表示装置は、干渉縞が記録されたホログラム１と、このホログラム１にレーザビームを照射する光源となるレーザ照射装置２（レーザ照射ユニット）とを備えている。また、レーザ光の直径を広げるビームエキスパンダ３と、ホログラム１を通過したレーザビームをフーリエ変換すると共に、その回折光を集光するフーリエ変換レンズ４（集光光学系）を備えている。以下、各構成について詳述する。
【００１８】
上記ホログラム１は、フーリエ変換光学系を用いて予め計算機により所定の三次元形状の干渉縞を記録した計算機ホログラム１である。そして、特に、この計算機ホログラム１は、ＫＤＰ（燐酸二水素カリウム）結晶を用いたデフォーマブルミラーにて形成されている。このように、計算機ホログラム１１としてＫＤＰ結晶を用いることで、かかるホログラム１は後述するように通過するレーザビームに対する耐性に優れている。なお、本発明で用いるホログラム１１は計算機ホログラムに限定されず、また、上記構成に限定されるものではない。
【００１９】
前記計算機ホログラム１は、前記フーリエ変換レンズ４による焦点面Ｆ１上に結像される画像パターンＰ１と、前記焦点面ＦＩからずれた偏倚面Ｆ２上に結像される画像パターンＰ２が互いに重ね合せて配置された断層タイプの図２（ａ）に示す画像パターンＰを有している。前記画像パターンＰは図２（ａ）に示すように、干渉縞画像として記録されている。前記焦点面Ｆ１は、フーリエ変換レンズ４の焦点位置に位置するものであり、前記偏倚面Ｆ２は、フーリエ変換レンズ４の光軸に沿って前記焦点面Ｆ１に対してずれた位置に位置するものである。なお、偏倚面Ｆ２は、フーリエ変換レンズ４の焦点位置に対して前方或いは後方のいずれにすれていてもよいものである。
【００２０】
次に、前記ホログラム１に複数の画像パターンＰ１，Ｐ２を記録する方法について説明する。図３に示すように、焦点面Ｆ１上に結像させるための画像パターンＰ１と、偏倚面Ｆ２上に結像させるための画像パターンＰ２を用意する（ステップＳ１）。次に、一方の画像パターンＰ１に対してフラウンホーファ回折による回折計算を施す（ステップＳ２）。他方の画像パターンＰ２に対してフレネル回折の回折計算を施す（ステップＳ３）。次に、前記回折計算を行ったデータを用いて、回折された面における複素数の足し算を行う（ステップＳ４）。これにより、計算機ホログラム１としての描写画像パターンＰが作成される（ステップＳ５）。以上の処理を経て、ホログラム１に複数の画像パターンＰ１，Ｐ２が記録される。
【００２１】
また、上記レーザ照射装置２は、不可視光であるＹＡＧレーザを出力するＹＡＧレーザ照射ユニット２である。そして、ＹＡＧレーザ照射ユニット２から出力されたレーザビームは、ビームエキスパンダ３を介して計算機ホログラム１を通過し、その後、フーリエ変換レンズ４にて焦点面Ｆに集光される（図１の矢印Ａ参照）。このとき、フーリエ変換レンズ４による焦点面Ｆは、計算機ホログラム１に記録された三次元画像を表示したい上空などの空中に位置するよう設定されている。
【００２２】
また、ＹＡＧレーザ照射ユニット２によるレーザビームの出力値は、焦点面Ｆにてレーザビームが集光されることにより、かかる焦点面Ｆ１を含む空間に存在する気体をプラズマ発光させるために十分な強度に設定されている。なお、ＹＡＧレーザは、その出力強度が高い性質を有するため、その設定が容易である。
【００２３】
次に、上記構成の画像表示装置を用いて、ホログラムに記録された画像パターンを可視画像として表示する場合について説明する。実験を行う前に、図２（ａ）に示すホログラム１が有する画像パターンＰを用い、このホログラム１にレーザビームを照射し、かつフーリエ変換レンズ４を用いてフーリエ変換を行った場合について計算機によるシミュレーションを行った。その結果、フーリエ変換レンズ４の焦点面Ｆ１には、図２（ｂ）に示す画像パターンＰ１が再生され、フーリエ変換レンズ４の偏倚面Ｆ２には、図２（ｃ）に示す画像パターンＰ２が再生されるという結果が得られた。図２（ｂ）に示す画像パターンＰ１は、左上隅と右下隅に虚像の「Ｋ」と実像の逆「Ｋ」が画像パターンの中心に対して対称な位置に現れることとなる。図２（ｃ）に示す画像パターンＰ２は、左上隅と右下隅に虚像の「Ｔ」と実像の逆「Ｔ」が画像パターンの中心に対して対称な位置に現れることとなる。なお、画像パターンＰ１，Ｐ２は図示のものに限られるものではない。
【００２４】
次に、図１に示す画像表示装置を用いて、図２（ａ）に示すホログラム１を再生する実験を行った。実験では、焦点距離が３００ｍｍのフーリエ変換レンズ４を用い、その焦点位置に焦点面Ｆ２を、その焦点面Ｆ２から１０ｍｍずれた位置に偏倚面Ｆ２を設定している。但し、フーリエ変換レンズ４の焦点距離、及び焦点面Ｆ１に対する偏倚面Ｆ２の位置は、上述した数値に限られるものではない。
【００２５】
まず、表示したい三次元画像の干渉縞が記録された計算機ホログラム１を所定位置に配置する。そして、三次元画像を表示させたい空間に表示可能なよう、各装置１，２，３，４の位置を設定し、特に、ＹＡＧレーザ照射ユニット２の出力方向を設定する。同時に、上述したように、出力するレーザビームにて、焦点面Ｆでプラズマ発光が生じるようＹＡＧレーザ照射ユニット２の出力値を設定する。
【００２６】
そして、ＹＡＧレーザ照射ユニット２からレーザビームを出力すると、当該出力されたレーザビームはビームエキスパンダ３で広げられ、計算機ホログラム１に入射される。そして、計算機ホログラム１を通過したレーザビームはフーリエ変換レンズ４によってフーリエ変換される。
【００２７】
レーザビームは、焦点面において空気中の気体に絶縁破壊を起こさせ、局所的に気体が高密度となり、プラズマ発光することとなる。従って、焦点面Ｆにプラズマ発光面が形成される（図１符合Ｆ１の仮想線を参照）。
【００２８】
ホログラム１を透過したレーザビームは、フーリエ変換レンズ４によりフーリエ変換されると、回折されずに直進する光（０次回折光）と、回折した回折光となる。さらに、回折光は、ホログラム１から−θ方向に向う回折光ΣＡと、ホログラム１からθ方向に向う回折光ΣＢからなる。回折光ΣＡは、虚像（或いは直接像）と呼ばれるものであり、回折光ΣＢは、実像（或いは共役像）と呼ばれるものである。観察者は、回折光ΣＡによる虚像の画像パターンを目で観察する。また、プラズマ発光によるスクリーンなどに投影した場合には、回折光ΣＡによる虚像の画像パターンと回折光ΣＢによる実像の画像パターンを観察することが可能である。
【００２９】
以上に説明した回折光ΣＡ及びΣＢはフーリエ変換レンズ４により集光され、フーリエ変換レンズ４は、画像パターンＰ１を焦点面Ｆ１上に結像し、画像パターンＰ２を焦点面Ｆ１からずれた偏倚面Ｆ２上に結像する。したがって、フーリエ変換レンズ４の機能によって、複数の画像パターンＰ１，Ｐ２は、焦点面Ｆ１と偏倚面Ｆ２に位相がずれて立体的に可視画像として結像される。
【００３０】
図４（ｂ）に示す画像パターンＰ１は、実験の結果、焦点面Ｆ１上に結像された画像である。さらに、図４（ｃ）に示す画像パターンＰ２は、偏倚面Ｆ２上に結像された画像である。図４（ｂ）に示す画像パターンＰ１の中心に白い点が現れており、この白点は、レーザビームがフーリエ変換レンズ４の焦点位置に収斂したことによる点である。その白点を中心として対称な位置、すなわち、画像の左上に「Ｋ」の文字が再生され、右下に逆「Ｋ」の文字が再生されている。この「Ｋ」の文字以外にも複数の「Ｋ」の文字が再生されているが、これらの再生文字は、フーリエ変換された際に生じる高次回折光によって再生された文字である。
【００３１】
また、図４（ｃ）に示す画像パターンＰ２の中心に大きな白い領域が現れている。これは、図４（ｃ）に示す画像パターンＰ２は、焦点面Ｆ１から光軸方向にずれた位置の偏倚面Ｆ２に再生されるものであり、この偏倚面Ｆ２では、レーザビームが焦点を結ばないため、画像パターンＰ２の中心に大きな白い領域が現れている。このことは、図４（ｃ）に示す画像パターンＰ２は、焦点面Ｆ２からずれた位置に再生されていることを裏付けている。さらに、図４（ｂ）から明らかなように、大きな白い領域中心に対して対称な位置、すなわち左上に「Ｔ」の文字が再生され、右下に逆「Ｔ」の文字が再生されている。この「Ｔ」の文字以外にも複数の「Ｔ」の文字が再生されているが、これらの再生文字は、フーリエ変換された際に生じる高次回折光によって再生された文字である。
【００３２】
以上結果から、本発明に係る実施例は、計算機にて断層タイプのホログラム４に、複数の画像パターンＰ１，Ｐ２を互いに重ね合せて記録し、これを図１に示す画像表示装置を用いて、ホログラム１に記録した画像パターンＰ１，Ｐ２を焦点面Ｆ１と偏倚面Ｆ２に再生することができることが立証された。
【００３３】
以上のように、本発明の実施例では、ホログラムを通過するレーザビームの作用によってスクリーンとして機能するプラズマ発光面が形成されるため、画像を表示したい空間にスクリーンを必要とせず、画像表示を行うことができる。さらに、本発明の実施形態によれば、断層タイプのホログラムを用いて画像の再生を行い、複数の画像パターンを焦点面と偏倚面に位相をずらせて結像するため、立体的、すなわち３次元空間内に可視画像を表示することができる。以上のように、画像表示位置を任意に設定することができるため、上空などにもホログラムに記録した画像を表示させることができる。特に、三次元画像も表示することができ、表示画像の多様化を図ることができ、上空を広告スペースなどの情報提供スペースに利用するなど、様々な利用が可能である。
【００３４】
また、スクリーンを必要としないことから、簡易な構成にて実現することができ、低コストにて空間に画像表示することができる。
【００３５】
さらに、レーザビームに不可視光を用いることで、結像前のレーザビームの走査軌跡が空間で視認されることがなく、不要な光線の表示が抑制され、三次元画像のみを空間に表示することができ、表示画像の鮮明化を図ることができる。
【００３６】
（実施例２）
実施例１では、ホログラム１として、レーザビームを透過する透過型ホログラムを用いたが、これに限られるものではない。反射型ホログラムを用いた例を本発明の実施例２として説明する。図５に示す本発明の実施例２は、ホログラム１として反射型構造のものを用いている。図１においては、フーリエ変換レンズ４を、ホログラム１１の面で反射したレーザビームの光路上に設置している。図５の場合には、フーリエ変換レンズ４を、ホログラム１よりも前方に設置している。その他の構成は実施例１と同様である。
【００３７】
図５に示す実施例においては、ホログラム１１の面上で反射した回折光は、フーリエ変換レンズ１４によりフーリエ変換され、かつ集光される。そして、フーリエ変換レンズ１４は、画像パターンＰ１を焦点面Ｆ１上に結像し、画像パターンＰ２を焦点面Ｆ１からずれた偏倚面Ｆ２上に結像する。したがって、フーリエ変換レンズ１４の機能によって、複数の画像パターンＰ１，Ｐ２は、焦点面Ｆ１と偏倚面Ｆ２に位相がずれて立体的に可視画像として結像される。
【００３８】
図５に示す本発明の実施例２の構成によっても、実施例１と同様な効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、空中に画像を表示し、上空スペースを用いて広告表示するなど種々の情報提供手段として利用することができ、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１に係る画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、計算機ホログラムに記録される干渉縞の一例を示す図であり、図２（ｂ）は、計算機によるシミュレーションによって焦点面に結像され表示される画像の一例を示す図であり、図２（ｃ）は、計算機によるシミュレーションによって偏倚面に結像され表示される画像の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施例において、ホログラムに画像パターンを記録する方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例において、図１に示す画像表示装置を用いてホログラムを再生した場合の再生像を示す写真であって、図４（ａ）は焦点面に再生された画像パターンを示す写真であり、図４（ｂ）は偏倚面に再生された画像パターンを示す写真である。
【図５】本発明の実施例２に係る画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来例における画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  計算機ホログラム
２  ＹＡＧレーザ照射ユニット
３  ビームエキスパンダ
４  フーリエ変換レンズ
Ｆ１  焦点面
Ｆ２  偏倚面
【図１】
2006189821.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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